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반도체

last modified: 2015-04-09 11:19:27 Contributors

반댓말은 왈도체
대표적으로 탄소-실리콘-게르마늄으로 이어지는 14족의 물질들이 이에 해당하며, GaAs와 같이 13-15족 등 14족을 가운데로 하는 두 물질의 화합물도 이 성질을 갖는 경우가 있다.
도체 사이의 성질을 띠고 있는 물질이라고 일반적으로 알려져 있으나, 이것은 고등학교 수준의 설명으로 실제 상황은 양자 역학을 동원해야 한다.

규칙적으로 물질이 배열되어 있을 때 원자핵이 만드는 주기적인 에너지 우물에 강하게 속박되지 않은 (잠재적인) 자유전자의 파동함수를 구하면 단일 우물일때는 특정 에너지값들에서만 전자의 존재가 가능하지만, 우물들이 서로 간섭해 특정 값들이 모여 존재가 가능한 영역을 만든다. 이 에너지 띠 안에서만 전자가 존재하는데, 도체는 전자의 최대 에너지가 띠의 최대값보다 크거나 작더라도 띠의 최소값보다는 크지만 최대값보다는 매우 작거나 다음 띠와의 에너지 차이가 매우 적어 전자가 이 사이에서 자유로이 움직인다. 부도체는 최대 에너지가 띠의 최대 에너지[1]와 (거의)같고 다음 띠가 멀기 때문에 전자가 자유로이 이동할 수 없다. 반도체는 일단 부도체인데, 띠와 다음 띠 사이의 차이[2]이 적당히 작아서(=에너지 간격이 적어서) 주변온도에 의한 에너지만으로 전자가 다음 에너지띠로 건너뛸 수 있다. 이러면 건너뛴 전자는 뛰어간데서 신나게 뛰어놀 수 있고, 그만큼 빈 공간이 생긴 아래의 띠에서도 전자가 움직일 수 있으며 이게 전류가 된다.

위 모델에 원자핵에 의한 오비탈을 추가로 적용하면, 원자간 간섭에 의해 오비탈의 에너지가 갈라지고, 각 원자들의 미세한 차이들이 모여 전자가 존재가능한 연속영역과 불가능한 빈 공간이 만들어지며 여기 전자들이 차오른다. 이때 외곽전자결합이 약하고 띠에 여유도 많아 쉽게 움직이는 알칼리 금속이나 알칼리 토금속, 혹은 준위 중간에 빈틈이 많아서 전자가 이동하기 쉬운 전이 금속과 달리, 부도체의 경우는 전자가 찬 공간(valence band)와 전자가 뛰어가야 할 공간(conduction band)사이의 에너지 차이(energy band gap)이 매우 크다. 이때 반도체는 Energy band gap이 작아, 실온같은 특정 온도에서 전자가 들떠 다음 valence band에서 conduction band로 이동해서 전기가 통하고, 필요한 값 미만으로 온도가 낮아지면 전기가 통하지 않는 특성을 가지고 있다. 오비탈에 8개의 전자가 꽉 찬 상태로 이루어진 반도체를 intrinsic, 혹은 IVA+VA(or IIIA+IVA)로 이루어진 반도체를 extrinsic이라 한다.

더 구체적이고 자세한 내용은 재료공학이나 체물리를 공부하면 된다.


순수한 물질, 정확하게는 진성 반도체(Intrinsic semiconductor)일 때에 이들은 자유전자와 정공(전자가 빠져나간 빈틈)을 거의 같은 양으로 가지고 있어 전류가 약간 통하며, 여기에 13족 혹은 15족의 불순물을 첨가하면 흐름이 정공을 중심으로 하는 P형(Positive type) 혹은 흐름이 자유전자를 중심으로 하는 N형(Negative type) 반도체가 된다. 이 때 추가하는 불순물을 도펀트라고 하며, 불순물을 적량 추가하면 반도체의 전기전도율을 10억 배 이상 향상시킬 수 있다.

P형 반도체와 N형 반도체를 활용하여 P-N접합을 통해 전류의 흐름이 일정한 방향으로 흐르게 하는 pn 접합형 다이오드나 P-N-P, N-P-N접합을 이용해 전기신호를 증폭시키는 바이폴라 정션 트랜지스터를 만들어낼 수 있으며, 이외에도 금속을 n형 반도체 재료로 가볍게 도핑하는 쇼트키 다이오드, 금속과 융합한 CMOS, 그 하위부류인 FET나 MOSFET 등으로 만들어지며 이에 얽힌 발달과정이 현대 정보산업의 발전으로 이어졌다.

앞으로 예상되는 발전 방향은,현재 비휘발성 RAM인 MRAM(자기저항램)[3]과 PRAM(상변화램)[4]이 연구중이며, MRAM은 이미 우주분야나 블랙박스와 같은 최첨단 중의 최첨단의 분야에서 사용되기 시작했다.

MRAM과 PRAM은 속도는 DRAM과 같지만 전원 공급이 중단되어도 데이터를 상실하지 않고 수명도 사실상 무한하다. 말그대로 궁극의 저장매체인 것이다. 만일 개인용 컴퓨터 시장[5]에서 SSD가 하드디스크를 완전히 밀어낼 시점이 다가오면 MRAM이나 PRAM을 이용한 저장매체가 나와 SSD의 자리를 위협할 것이다.

삼성에서는 PRAM 양산을 위한 연구를 진행하고 있으며 MRAM은 독일의 반도체 연구소인 PTB에서 양산 알고리즘을 연구하고 있다. FeRAM(강유전체 램)이라는 것도 있지만, 시제품을 만들어 놓고 보니 개념(이론)과는 너무도 다른 결과를 보여줬다. 즉, 속도도 예상했던 DRAM만큼 나오지도 않았고 고용량을 위한 고도집적화도 거의 불가능해 지금은 시망, 좆망 테크를 타고 있는 중. 참고로, 일본 후지쯔에서 어찌어찌 해보겠다고 강짜를 놓다가 역시 좆망.

MRAM과 PRAM의 경우는 프로토타입 단계는 이미 2000년대 초반에 지났고 현재는 소자의 고도화, 양산화를 위한 연구가 진행중에 있다.[6][7] 즉, 학계의 손을 떠나 기업 주도로 연구ㆍ개발이 이루어지고 있는 것. 참고로, 학계의 동향을 항상 신뢰 할 수 있는 것은 아니다. CPU 공정 단위가 수십 나노미터 단위로 내려가기 전까지 학계에서는 지속적으로 그 이하[8]는 불가능하다는 주장이 강했지만, 기업의 공밀레 정신으로 그것을 극복해 냈다[9].
또한 학계는 IGZO트랜지스터가 차세대 디스플레이 구동 소자로 연구되기 전 까지 나노결정(나노액정) 실리콘(Nanocrystalline silicon)을 매우 주목했으나, 시제품은 기존 디바이스의 단점만 모인 영 쓸모 없는 것이었다.
그리고 또 하드디스크가 언제 다시 부활할지도 알 수 없다. 현재 MRI(자기 공명 단층 촬영 장치)에서 상을 얻는 방식을 하드디스크에 적용하여 데이터를 입출력하는 것이 연구되고 있으며, 이것이 실현된다면 하드디스크의 속도는 데이터가 RAM을 거치지 않을 정도일 것으로 예상된다.

사실, MRAM과 PRAM을 대체할 반도체도 기다리고 있다. 바로 RRAM(저항메모리)[10]와 NRAM(나노램)이 기다리고 있다. 또, 개념상 제시된 미래의 RAM에는 밀리페드(Millipede) 반도체와 경주트랙(Racetrack) 메모리라는 것도 있다. 가장 멀리있는 가시거리내 기술로는 Nano Magnets - 분자단위 자기적 정보 저장기술로 2012년 6월, 분자단위로 자기 정보를 바꾸는 단계까지 와있다.# 즉, 지금의 SSD개념이 궁극적인 저장매체라는 착각을 해서는 안된다는 것. 반도체 공학의 세계는 끝이없으므로, 계속 공부를... 참고로, 카이스트 전기및전자공학과 명 모 교수가 수업시간에 상술한 반도체들의 상용화 예측 연도를 강의한 바 있는데 MRAM이나 PRAM은 2020년대 초중반, RRAM은 2020년대 후반, 밀리페드는 2030년대, 레이스트랙은 2050년대, 나노저장장비는 2000년대 중후반으로 제시했다. MRAM에서 RRAM간의 상용화 주기가 약간 짧은 것은, 사실상 RAM의 물리적 구조를 개선한 것이기 때문이다. 밀리패드 부터는 기존의 RAM과는 완전히 다른 새로운 구조이다.

현대 반도체 산업의 중심인 Si는 석영의 주성분으로서 지각에 가장 많은 2대 원소 중 하나이며 암석의 주요 성분이기 때문에 현대를 철기시대에 이은 새로운 석기시대라고 제3 석시대?[11] 농담 삼아 말하는 경우도 있다.


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  • [1] 절대영도에서 모든 전자의 에너지가 가능한 최소가 되는데, 이때 전자가 갖는 에너지의 최대값이 페르미 준위라고 불린다. 절대영도가 아닌 경우에는 양자역학적인 계산을 거치면 전자의 분포가 1/2.
  • [2] 갭(Gap)을 임의로 번역. 이쯤되면 순우리말을 일반적이지 않은 단어까지 과도하게 사용해 오히려 더 이해하기 어렵게 번역된 책들 때문에 번역서의 용어들이 불편해지기 시작한다. 살짝만 더 나가면 번역서 자체가 없기도.
  • [3] 기본 회로 구조는 DRAM과 같지만 데이터 입력부에 자기저항소자(TMR)을 두어 이 저항에 의해 전력 상실 후에도 0과 1을 저장하는 구조이다.
  • [4] DRAM의 기본 구조에 칼코게나이드계 유리질을 두고 그 유리질이 열에 의해 변화함을 이용하여 0과 1을 전력 상실 후에도 저장하는 방식이다.
  • [5] 어차피 서버컴퓨터나 슈퍼컴퓨터에서는 데이터의 손실가능성 때문에 반도체성 저장매체를 최상위 저장매체로 사용할 순 없다. 사실, 서버에서 SSD를 사용할 수는 있긴 있지만, 최종 결과를 저장하는 매체로는 사용할 수 없다. 서버군에서 SSD는 최종결과를 저장하는 기관이라기보다는 특정단위기간 동안의 작업을 일시적으로 저장하는 일종의 캐쉬 개념으로 사용할 수 있을 것이다.
  • [6] 이미 16MB이하의 소용량 MRAM, PRAM은 양산에 성공했으며 인공위성이나 비행기 블랙박스등과 같이 극한의 환경에서 빠른 데이터 처리를 요하는 분야에서 사용되고 있으며, 일부 SSD에도 캐시용으로 사용되고 있다.
  • [7] 2013년에는 Everspin사에서 64MB MRAM 저장매체를 선보인다고 하며, 일반 저장용도 이외에 DDR3이나 DDR4 램으로도 사용할 수 있다고 한다. 비록 아직은 용량이 작고 단위용량당 가격이 SSD에 비해 50배이상 비싸지만, 양산상용화를 확인한 것이어서 후속 제품 개발이 활발하게 이루어질 것이다. Everspin사에서 내놓은 기술자료에 따르면, MRAM의 속도는 SSD보다 480~500배정도 빠르다.
  • [8] 40나노 이하. 이는 CPU뿐만 아니라 모든 반도체 소자에 해당하는 것이었고, 좀 더 정확히 말하자면 그냥 불가능하다는 것이 아니라 '양산이' 불가능하다는 것이었다. 참고로, 학계에서는 4.0GHz의 진동수를 갖는 반도체 소자를 양산하는 것이 불가능하다는 입장이었다.
  • [9] 이것도 반도체 공학적으로 보자면, 완전히 40나노 미만의 반도체를 생산하고 있다고 봐야하는지 아닌지 논란이 될 수 있다. 40나노 이하의 홈(전자가 지나다니면서 0과 1을 처리하는 홈)을 가진 반도체를 생산 할 수 없다는 것은 아직도 정설이다. 왜냐하면 40나노 이하의 간격으로 홈을 팔 경우 홈 사이의 거리가 너무 좁아 홈을 지나다니는 전자끼리 만날 수 있기 때문이다. 그래서 40나노 이하의 반도체는 홈과 홈 사이에 나노소자의 부도체를 넣거나 원래 u자형인 홈을 O자형태가 되도록 위를 덮는 방법을 사용하고 있다. 이렇게 될 경우 홈 간격을 줄여서 소자 다이의 면적을 줄이거나 소비전력을 줄이는데서 비효율적이 된다. 지금의 경우는 대량생산에 의한 규모의 경제로 그러한 비효율을 극복해 나가고 있는 상황. 참고로, 많은 사람들 심지어 전공자들까지도 홈의 간격이 줄어들면 발열이 적어진다고 생각하는데, 그것은 40나노까지 적어질 경우에나 그런것이고 그 미만 공정으로 가면 전자가 지나다니는 간격이 좁아지면서 발열이 점증하게 된다. 한가지 더 이야기하자면, 현재 30-20나노 수준에서는 u자형 홈을 유지하되 홈 사이사이에 부도체를 넣는 방법을 사용하고 있다. O자형 홈은 2020년대 중후반으로 잡혀 있는 10나노 공정에 가서야 사용할 수 있을 것으로 보인다. 홈을 O자형으로 파거나 u자형 홈 위에 규소를 덮어서 O자형 홈으로 만드는 과정은 현재 기술수준에서 상상을 초월하는 고난도 곡예이다.
  • [10] RRAM도 기본적으로 자기저항방식을 이용하지만 MRAM이 사용하는 저항물질을 사용하지는 않는다.
  • [11] 중석기 시대는 그닥 현저하게 드러나는 녀석이 아니므로... 중고등학교 국사에 중석기 시대가 나오지 않는 것만 봐도.
  • [12] 비메모리 반도체의 1인자. AMD 지못미
  • [13] 메모리 반도체의 1인자. 하이닉스 지못미